(57)【要約】      （修正有）【課題】ダイナミックレンジが大きく、電力要求が小さい、安価な表面反射検知センサを提供する。【解決手段】光センサ回路は、マイクロコントローラのＩ／ＯピンへＬＥＤを直接に接続することに基づく。ＬＥＤは逆バイアスされ、寄生接合キャパシタンスが、出力モードで充電される。その後、Ｉ／Ｏピンはハイインピーダンス入力モードに置かれる。キャパシタンスが、ＬＥＤ上に入射する光によって生ずる光電導によって放電させられる時間は、入射光の強度に逆比例し、Ｉ／Ｏピンが、完全に充電されたレベル（５ボルト）から論理しきい値レベル（１．７ボルト）まで移行するのに必要な時間として直接に測定されることができる。放出モードと検知モードの間をマルチプレクスされた複数のＬＥＤを使用することによって、特に、ＬＥＤが異なる波長の光を放出する時に、いろいろな種類のセンサを構築することができる。【選択図】図１
2005265849.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれの発光ダイオードが、１つの発光ダイオードの少なくとも１つの波長が別の発光ダイオードの１つの他の波長と異なるような、対応する波長を放出するように構成される、発光ダイオードのセットと、
マイクロコントローラと
を備え、
該マイクロコントローラは、
Ｉ／Ｏピンの１つの対が１つの対応する発光ダイオードに接続される、複数のＩ／Ｏピンの対と、
前記発光ダイオードの第１サブセットのキャパシタンスを充電するために、該発光ダイオードの第１サブセットを逆バイアスで選択的に駆動する手段と、
前記発光ダイオードの第１サブセットのそれぞれのキャパシタンスが、該発光ダイオードの第１サブセット上への入射光によって誘導される光電流によって放電する、前記入射光の強度に逆比例する、時間を測定する手段と
を備える光センサ。
【請求項２】
前記入射光は周囲自然光である請求項１に記載の光センサ。
【請求項３】
前記入射光は外部光源によって放出される請求項１に記載の光センサ。
【請求項４】
前記入射光が前記発光ダイオードのセットのうちの第２サブセットによって放出されるように、前記発光ダイオードの第１サブセットを前記逆バイアスで駆動しながら、対応する波長で光を放出するための順バイアスで、前記発光ダイオードの第２サブセットを選択的に駆動する手段をさらに備える請求項１に記載の光センサ。
【請求項５】
それぞれの発光ダイオードと並列に接続されたキャパシタンスをさらに備える請求項１に記載の光センサ。
【請求項６】
前記測定する手段は前記マイクロコントローラの論理レベルしきい値を使用する請求項１に記載の光センサ。
【請求項７】
前記測定する手段は割り込みサービスプロシジャを含む請求項１に記載の光センサ。
【請求項８】
前記測定する手段はポーリングプロシジャを含む請求項１に記載の光センサ。
【請求項９】
前記測定する手段は前記マイクロコントローラのクロックを含む請求項１に記載の光センサ。
【請求項１０】
前記キャパシタンスは、前記発光ダイオード、前記マイクロコントローラＩ／Ｏピン、および接続ワイヤに固有の寄生キャパシタンスである請求項１に記載の光センサ。
【請求項１１】
前記寄生キャパシタンスは約２０ピコファラドである請求項１０に記載の光センサ。
【請求項１２】
前記キャパシタンスは、前記対応するＩ／Ｏピンを出力モードに構成することによって充電される請求項１に記載の光センサ。
【請求項１３】
前記キャパシタンスは、前記対応するＩ／Ｏピンを入力モードに構成することによって放電される請求項１に記載の光センサ。
【請求項１４】
前記入力モードに構成された前記対応するピンのインピーダンスは１００万オームより大きい請求項１３に記載の光センサ。
【請求項１５】
前記測定する手段はパルス幅変調された論理レベル信号を直接に生成し、前記パルスの幅は前記入射光の強度に逆比例する請求項１に記載の光センサ。
【請求項１６】
前記入射光を反射するための試験材料をさらに備える請求項１に記載の光センサ。
【請求項１７】
前記入射光を透過するための試験材料をさらに備える請求項４に記載の光センサ。
【請求項１８】
前記試験材料の表面は、鏡面反射率を測定するために、前記入射光に対して垂直な角度で設置される請求項１６に記載の光センサ。
【請求項１９】
前記試験材料の表面は、拡散反射率を測定するために、前記入射光に対して斜めの角度で設置される請求項１６に記載の光センサ。
【請求項２０】
前記発光ダイオードの第１サブセットおよび前記発光ダイオードの第２サブセットを、前記逆および順バイアスで駆動することを交互に行う手段をさらに備える請求項４に記載の光センサ。
【請求項２１】
前記入射光は、周辺光および光源からの光を含んでおり、
前記入射光の強度の差分測定を可能にするための、前記周辺光の強度と前記光源からの光の強度の差を測定する手段をさらに備える請求項１に記載の光センサ。
【請求項２２】
前記第１サブセットおよび前記第２サブセットを、それぞれ、前記順および逆バイアスで連続して駆動する手段をさらに備える請求項４に記載の光センサ。
【請求項２３】
擬似ランダムシーケンスによって前記第１および前記第２サブセット内の発光ダイオードを選択する手段と、
前記擬似ランダムシーケンスに従って選択しながら、前記測定した時間を平均する手段とをさらに備える請求項１に記載の光センサ。
【請求項２４】
前記発光ダイオードの第１サブセットの波長は、前記発光ダイオードの第２サブセットの波長以下である請求項４に記載の光センサ。
【請求項２５】
前記入射光と前記発光ダイオードの第１サブセットの間に設置される試験材料をさらに備え、該試験材料を透過した前記入射光の強度を測定するために、該入射光が前記試験材料を通過するようにする請求項１に記載の光センサ。
【請求項２６】
前記試験材料は、前記入射光に対して垂直な角度で設置される請求項２４に記載の光センサ。
【請求項２７】
前記試験材料は、前記入射光に対して斜めの角度で設置される請求項２４に記載の光センサ。
【請求項２８】
前記試験材料は半透明である請求項２４に記載の光センサ。
【請求項２９】
前記試験材料は不透明である請求項２４に記載の光センサ。
【請求項３０】
試験材料が、反射体と、前記発光ダイオードの第１および第２サブセットとの間に設置される請求項４に記載の光センサ。
【請求項３１】
前記試験材料は、前記入射光に対して垂直な角度にある請求項２８に記載の光センサ。
【請求項３２】
前記試験材料は、該試験材料内の濁り度を測定するために、前記入射光に対して斜めの角度にある請求項２８に記載の光センサ。
【請求項３３】
前記発光ダイオードの第２サブセットは、前記入射光として紫外光を放出する請求項４に記載の光センサ。
【請求項３４】
前記入射光は、蛍光試験材料から反射されて前記発光ダイオードの第１サブセットに達する請求項３１に記載の光センサ。
【請求項３５】
入射光を検知する方法であって、
１つの発光ダイオードの少なくとも１つの波長が別の発光ダイオードの１つの他の波長と異なるような、対応する波長を有する発光ダイオードのセットを選択するステップと、
前記発光ダイオードの第１サブセットのキャパシタンスを充電するために、該発光ダイオードの第１サブセットを逆バイアスで選択的に駆動するステップと、
前記発光ダイオードの第１サブセットのそれぞれのキャパシタンスが、該発光ダイオードの第１サブセット上への入射光によって誘導される光電流によって放電する時間を測定するステップであって、該時間は前記入射光の強度に逆比例する、放電する時間を測定するステップとを含む、入射光を検知する方法。
【請求項３６】
前記入射光が前記発光ダイオードのセットのうちの第２サブセットによって放出されるように、前記発光ダイオードの第１サブセットを前記逆バイアスで駆動しながら、対応する波長で光を放出するための順バイアスで、前記発光ダイオードの第２サブセットを選択的に駆動することをさらに含む請求項３５に記載の入射光を検知する方法。
【請求項３７】
試験材料が前記入射光を反射する請求項３５に記載の入射光を検知する方法。
【請求項３８】
試験材料が前記入射光を透過する請求項３５に記載の入射光を検知する方法。
【請求項３９】
前記発光ダイオードの第１サブセットおよび第２サブセットの間に試験材料を設置することをさらに含む請求項３６に記載の入射光を検知する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は包括的に、表面反射率センサに関し、より詳細には、ＬＥＤベースの表面反射率センサおよび分光光度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面反射検知システムを用いて、被試験材料が光源によって照明され、光センサを用いて反射光が測定される。光は、単色、すなわち、ある範囲の波長であるか、または、「白色」光などの、いろいろな波長が混ざり合ったものであることができる。これは、放出された光または検出された光をろ過することによって達成することができる。
【０００３】
たとえば、光源は、ろ過される広帯域のタングステン−ハロゲンまたはタングステン−重水素光であることができる。ろ過された光は、表面へと透過し、その後、反射し、光ファイバを介してセンサに戻るように運ばれる。波長は、スリットおよび回折格子によって分離され、フォトダイオードアレイまたはＣＣＤアレイおよびアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器によって測定されることができる。スリットの幅および回折格子の細かさ次第で、３５０〜１１００ナノメートルの範囲にわたって、１〜４ナノメートルの分解能を得ることができる。ここでは、Ａ／Ｄ変換器は、システムの最も高価な構成部品である。
【０００４】
別の表面反射システムでは、狭帯域ＬＥＤを用いて、既知の波長の光が放出され、フォトダイオードおよびＡ／Ｄ回路を用いて、反射光が測定される。そのタイプのシステムはあまり高価でなはないが、利用可能な色の数が少ない（たとえば、５）ため、分析作業にはあまり適していない。
【０００５】
ＬＥＤベースのシステムは、グラフィックアート、印刷、フォトコピー、出版、および塗料照合業界(paint-matching trades)において色照合(color matching)に使用されてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来システムは全て、従来のＡ／Ｄ回路を使用する。こうした回路では、フォトトランジスタまたはフォトダイオードは、光制御式電流源または光制御式抵抗である。フォトダイオードデバイスによって生成される電流は、増幅され、Ａ／Ｄ変換器によって直接に測定される。直接に測定される瞬時電流は通常、ほんの２、３マイクロアンペアであるため、感度のよい、低雑音増幅器を使用しなければならない。そのことは、システムの費用、サイズ、および電力要求を大幅に増加させる。
【０００７】
さらに、シリコンフォトダイオードは、遠赤外に延びる、およそ６７０〜７００ナノメートルにピーク感度を有し、青色および紫外光には比較的感度がない。したがって、人の目の応答に合わせるために、システムの感度を低下させる比例フィルタを用いて応答を「平らにする」。さらに、従来の１６ビット変換器のダイナミックレンジはおよそ６４，０００：１であり、かなりの電力消費を伴う。
【０００８】
したがって、従来技術の問題を解決する表面反射率センサおよび分光光度計が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ダイナミックレンジが大きく、電力要求が小さい、安い表面反射検知システムを提供する。システムは、最少量の光が存在する用途に特に適する。
【００１０】
本発明は、従来技術の増幅器およびＡ／Ｄ変換器を簡単なしきい値回路と置き換える。この回路では、フォトダイオード、好ましくは、ＬＥＤの対は、ソフトウェアによって制御されるマイクロコントローラの、対応するデジタル入力／出力（Ｉ／Ｏ）ピンに直接に接続される。
【００１１】
Ｉ／Ｏピンによって送出される電流は、ＬＥＤのカソードを、ＴＴＬ互換部品の場合の論理１、公称＋５ボルトに、アノードを、論理０、すなわち、０ボルトにセットする。一方のフォトダイオードは、順バイアス状態に切り換えられた時に、被試験材料の表面上に光を放出し、他方のフォトダイオードは、最初に逆バイアス状態で充電され、その後、放電が可能になった時に反射光を検知する。
【００１２】
逆バイアス状態において、ＬＥＤの内部寄生接合キャパシタンスが充電される。接合キャパシタンスは約２０ピコファラドのオーダで変化する。かかる電圧はバラクタ作用による。寄生キャパシタンスは、マイクロコントローラＩ／Ｏピンおよび接続ワイヤに固有のキャパシタンスを含むこともできる。２０ピコファラドのキャパシタンスと５ボルトを仮定すると、約１００ピコクーロンの電荷が接合に蓄積される。
【００１３】
接合キャパシタが完全に充電された後（２、３マイクロ秒しかかからない）、マイクロコントローラＩ／Ｏピンは、ハイインピーダンス入力状態、たとえば、１００万オームから２５０ギガオームに切り換わる。このハイインピーダンス状態にあっても、Ｉ／Ｏピンを、ソフトウェアによってやはり「読み取る」ことができる。Ｉ／Ｏピンの電圧が、所定の論理しきい値電圧、たとえば、＋１．７ボルトを超える場合、ピンの入力は、論理「１」として読み取られ、そうでなければ、入力は、論理「０」として読み取られる。ハイインピーダンス・モードにおいて、電流ドレインが最少である、すなわち、入射光の存在がない時、＋５ボルトから１．７ボルトのデジタル論理しきい値まで下がるように、２０ピコファラドのＬＥＤ接合キャパシタンスを放電させるのには数秒かかる。日光に全開状態では、電流ドレインは、約１マイクロアンペアであることができる。
【００１４】
マイクロコントローラのポーリングプログラムまたは割り込みサービスプロシジャは、＋５ボルトから１．７ボルトのしきい値電圧まで下がるように接合を放電させるのにかかる時間量を測定することができる。この時間は、入射光の量に逆比例する。明るい光、たとえば、直射日光の下では、放電は、２、３マイクロ秒しかかからない。ある程度照明された環境では、放電は約１００ミリ秒かかり、最少の照明下では、放電は数秒かかる可能性がある。
【００１５】
本発明によるセンサシステムの非常に広いダイナミックレンジ、すなわち、数１００万対１は、増幅器とＡ／Ｄ変換器を使用する従来技術の任意の表面反射率センサのダイナミックレンジを大幅に超える。
【００１６】
利点として、ＬＥＤは一般に、ＬＥＤの放出波長以下の全ての波長に等しく感度がある。より長い波長の光は、著しく少ない光電流を生成する。たとえば、黄ＬＥＤは、黄、緑、青の光、および紫外光にほぼ同じように十分に応答するが、橙、赤、または赤外の光には応答しない。したがって、異なる色に調整された、いくつかのＬＥＤを同時に使用することによって、非常に安く分解能の粗い分光器を構築することができる。
【００１７】
この実施の形態では、それぞれのＬＥＤセンサは、センサの放出波長以下の波長に対してのみ応答する。そのため、入射光の、帯域ごとの光強度またはスペクトルを再構築することが可能である。
【００１８】
さらなる利点として、ＬＥＤを、放出モードと検知モードの間で高速に切り換えることができる。こうして、長波長ＬＥＤを、短波長ＬＥＤ用のセンサ、ならびに、さらに長い波長のＬＥＤ用の放出器の両方として使用することができる。この構成では、被試験材料は、放出した光を１つまたは複数のセンサＬＥＤに反射する。そのため、ＬＥＤは、同じ回路を使用して、狭帯域放出器およびハイパスセンサとして動作することができる。
【００１９】
別の利点として、システムが蛍光センサとして動作するように、ＵＶ遮断フィルタなどのろ過素子を付加することができる。この実施の形態では、最も広い帯域に感度のあるＬＥＤ、たとえば、全ての可視光、または、全ての可視光と近赤外の波長をそれぞれ検知することができる、赤または赤外のＬＥＤが使用される。分解能の粗い蛍光分光器を提供するために、ＵＶ遮断フィルタと共に、２つ以上のＬＥＤを使用することができる。
【００２０】
短波長遮断フィルタが、１つまたは複数の検知ＬＥＤを覆うこの構成は、可視または赤外のいずれかの波長範囲で蛍光を発する場合がある、少量の材料が有るか、無いかを検出することができる。
【００２１】
別の利点として、ＬＥＤを、放出モードと検知モードの間で高速に、たとえば、１マイクロ秒未満で切り換えることができる。こうして、センサが、励起源の有る時と無い時の両方で、透過したか、または、反射した光を測定する、差分測定値を獲得することができ、実際の有用な信号は、２つの信号の差の関数である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
（基本双方向ＬＥＤセンサ回路）
図１は、本発明によるＬＥＤベースの光センサ１００を示す。センサは、ＬＥＤ１１０、キャパシタ１２０、およびマイクロコントローラ１３０を含む。ＬＥＤ１１０のアノード１１１は、マイクロコントローラの双方向デジタルＩ／Ｏピン１０１に接続される。カソード１１２は別のピン１０２に接続される。Ｉ／Ｏピン１０１、１０２上の電流の状態が、ＬＥＤ１１０が光を放出するか、検知するかを決める。放出器とセンサの両方として動作する発光ダイオードの詳細な説明については、参照により本明細書にその全体が援用される、２００２年４月１９日にDietz他によって出願された、米国特許出願第１０／１２６，７６１号「双方向ＬＥＤを用いた通信（Communication Using Bi-Directional LEDs）」を参照されたい。
【００２３】
マイクロコントローラ１３０は、複数のデータピンを有する、MicroCircuits Inc.のＰＩＣ  １６Ｆ８７６プロセッサであることができる。マイクロコントローラ１３０はまた、従来の電源および通信接続部を有する。これらの接続部は、明確にするために示さない。マイクロコントローラはソフトウェア１３５を実行することができる。
【００２４】
さらに、本明細書に述べるようにＬＥＤを動作させるために、ソフトウェアはまた、ポーリングプロシジャ、割り込みサービスプロシジャによってか、クロックを使用するかのいずれかで、タイミング機能（タイマ）１３６を行う。タイミング機能は、ＬＥＤに蓄積されたキャパシタンスを、誘導された光電流によって放電させるのにかかる時間量を実質的に(essentially)測定する。時間量は、入射光の強度に逆比例する。本明細書で述べる、複数のＬＥＤを使用する本発明の実施の形態では、タイマは、並列か、または、順次に、これらのタイミング測定を行うことができる。
【００２５】
ＬＥＤのアノード１１１に接続されるマイクロコントローラ・ピン１０１が、論理１（５．０ボルト）の出力として構成され、ＬＥＤのカソード・ピン１１２に接続されるマイクロコントローラ・ピン１０２が、論理０（０．０ボルト）の出力として構成される時、ＬＥＤは光を放出する。この回路内の電流は、マイクロコントローラの出力ピンの出力駆動機能によって制限される。これは、一般的なやり方が、ＬＥＤのカソード・ピン１１２をマイクロコントローラ・ピンに接続するが、直接か、電流制限抵抗（通常、２２０オーム）を通してのいずれかで、アノード１１１を＋５ボルトに接続する点で、一般的なやり方から少しはずれている。従来のやり方は、ＬＥＤのアノード・ピン１１１をマイクロコントローラ・ピン１０１に接続するが、ＬＥＤのカソード・ピン１１２を直接にグラウンドに接続する。
【００２６】
回路１００の利点は、マイクロコントローラ・ピン１０１（ＬＥＤのアノード１１１に接続される）を、論理０（グラウンド）の出力として構成し、マイクロコントローラ・ピン１０２（ＬＥＤのカソード１１２に接続される）を、論理１（＋５．０ボルト）の出力として構成することによって、ＬＥＤ１００が逆バイアスされることである。これは、大きな電流を生じないが、ＬＥＤ１１０の寄生接合キャパシタンスを充電する。この寄生キャパシタンスは通常、約２０ピコファラドである。
【００２７】
ＬＥＤ１１０の寄生キャパシタンスが充電された後（通常、２０、３０マイクロ秒）、ＬＥＤのカソード１１２に接続されたマイクロコントローラ・ピン１０２は、出力モードから入力モードに再構成される。入力モードでは、マイクロコントローラ・ピン１０２のグラウンドに対する抵抗は、約１００万の１００万倍のオーム、すなわち、１００万メガオームである。この状態で、ソフトウェアはピン１０２の論理状態を読み取ることができる。電圧が、ＴＴＬ互換マイクロコントローラの場合に、システムの論理しきい値、たとえば、＋１．７ボルトを超える場合、ソフトウェア１３５は、論理値「１」を読み取り、そうでなければ、ソフトウェアは、論理値０を読み取る。
【００２８】
時間が経過するにつれて、ＬＥＤ１１０の寄生キャパシタンス上に蓄積された電荷がゆっくりと消散する。明らかに、この消散の最大の要因は、ＬＥＤ１１０の接合に当たる入射光１４０である。先に述べたように接続されたＬＥＤの寄生キャパシタンスは、１．７ボルト論理レベルを超える電荷を、暗い部屋では数秒の間保持することができるが、直射日光に曝されると２、３マイクロ秒の間しか保持することができない。中間の光の量は、中間の放電時間の持続期間を生じた。
【００２９】
その後、ソフトウェア１３５を用いて、ＬＥＤ１１０が、＋５ボルトから１．７ボルトの論理しきい値まで下がるように放電する時間が測定される。論理１のパルスの幅を確定することによって、ソフトウェアは、ＬＥＤ１１０に当たる光の強度を確定することができる。
【００３０】
したがって、図１の回路は、パルス幅が光１４０の強度に逆比例する状態で、パルス幅変調された論理レベル信号を直接に生成するように動作することができる。このパルス幅は、マイクロコントローラによって測定されて、光１４０の強度の数値表現をもたらすことができる。アナログ−デジタル変換器は決して使用しないことに留意されたい。時間測定の持続期間は、システムの分解能の決定要因であることにも留意されたい。ＬＥＤ１１０を放電させる光電流がシステムの主要な電流ドレイン源であるため、図１に示す回路は、実際には、ＬＥＤ１１０に当たる光を一体にすることも留意すべきである。光の一体化は、従来技術の瞬時測定よりもずっと大きな感度を生ずる。
【００３１】
ＬＥＤ１１０に入射する光が明るいため、マイクロコントローラによる都合のよい測定にとって減衰時間が短か過ぎるような、稀な場合、追加のキャパシタ１２０を回路に付加して、放電される電荷を増やし、それによって、放電を測定するのに必要とされる時間を長くすることができる。通常の使用では、キャパシタ１２０は必要ではなく、ＬＥＤ１１０の内部寄生キャパシタンスが、システムの適当な動作に適している。
【００３２】
（複数のセンサ）
図２は、本発明による、ＬＥＤベースの反射率計２００を示す。この構成では、マイクロコントローラ１３０は、複数のピン対１０１〜１０２を介してＬＥＤ１１０のセットに接続されて、試験下の表面２２０の光反射率が測定される。それぞれのＬＥＤは、光を放出する、光を検知する、または、非作動状態にされる、のいずれかになるように個別に制御可能である。こうして、ＬＥＤの第１サブセット、すなわち、１つまたは複数のＬＥＤは、光を放出することができ、一方、第２サブセット、すなわち、１つまたは複数のＬＥＤは、第１サブセットによって放出された光を検知する。この実施の形態において、ＬＥＤは、波長の全てが同じでないように、異なる波長に対して調整されることができ、検知を、順次か、並列に行うことができる。
【００３３】
（反射光の検知）
図３に示すように、ＬＥＤは、放出された光ビーム２０１が、試験される表面２２０の同じエリア３０１上にほぼ整列するように位置決めされることができる。この構成では、ＬＥＤは、垂直の角度を有することによって、１つのＬＥＤから他のＬＥＤへの、光の鏡面反射、すなわち、鏡のような反射を可能にするように設置されるか、または、鏡のような反射が起こらないように斜めの角度で設置されることができる。
【００３４】
この回路を、２つの動作モード、すなわち、連続照明と差分照明で使用することができる。
【００３５】
連続照明では、ＬＥＤの１つは、ＬＥＤのアノードに接続された関連するマイクロコントローラ・ピンが論理１を出力するように、カソードに接続された関連するマイクロコントローラ・ピンが論理０を出力するようにセットすることによって光を放出する。これは、従来の意味で、関連するＬＥＤを「オン」にし、光ビーム２０１に沿って光を放出する。
【００３６】
その後、システムの他のＬＥＤは、図１に述べたように利用される。すなわち、ＬＥＤは、逆バイアスされて、内部寄生接合キャパシタンスを充電し、その後、カソードに接続されたマイクロコントローラ・ピンが、ハイインピーダンス入力モードに切り換えられ、キャパシタンスが光電流によって放電するのに必要とされる時間が、マイクロコントローラが入力ピンをポーリングすることによって測定される。
【００３７】
再現性がある測定値のセットが必要とされる場合、較正表面を用いてシステムを較正することによって、測定値を作成することができる。
【００３８】
ＬＥＤが、比較的狭い帯域の光、たとえば、５０ｎｍ未満の帯域幅を放出することに留意すべきである。したがって、検知用ＬＥＤによって測定される表面の反射率は、放出用ＬＥＤによって放出される波長での表面の反射率である。
【００３９】
異なる波長で光を放出するＬＥＤを使用することによって、試験下の表面の反射率を測定することができる。
【００４０】
さらに、互いに対して、また、試験表面について、ＬＥＤの相対位置を変えることによって、拡散ランベルト（「つや消し(matte)」反射率と呼ばれることがある）に関して、ならびに、鏡のような、光沢のある、鏡面反射に関して、試験下の表面の反射を測定することができる。
【００４１】
（差分測定）
差分動作モードでは、ＬＥＤ、または表面２２０に照明を供給する何らかの他の光源を用いてと、表面に照明を供給するＬＥＤ無しでの両方で、光レベルの測定が行われる。後者の照明は、環境からの周辺自然光のみに頼る。２つの測定、すなわち、照明されたものと、周辺光のみのものとの差は、このシーケンスが所定期間にわたって各測定について繰り返される時に、変化する周辺照明の影響を相殺する方法を提供する。
【００４２】
差分モードで、かつ、周辺およびＬＥＤ照明の測定が交互に行われる場合、同様な周波数での変動する周辺源が測定を妨げる可能性がある。この実施の形態では、それぞれの測定が、周辺光か、ＬＥＤ照明のどちらであるかを、擬似ランダムシーケンス（ＰＲＳ）によって選択することができ、適当な期間にわたって平均化することができる。同じ擬似ランダムシーケンスに従わない任意の周辺干渉源は平均化されてなくなる。
【００４３】
注意深く再配置することで、ＬＥＤが全て、ほぼ互いの鏡面反射ドメイン内にあるようにすることも可能である。この実施の形態では、システムは、拡散反射ではなく鏡面反射を測定する。これは、ＬＥＤを並べて設置し、各ＬＥＤの光ビームの範囲が互いの光ビームに垂直な共通面を含むようにほぼ整列させることによって達成されることができる。
【００４４】
このマルチチャネルシステムの利点は、異なる波長の放出ＬＥＤを用いて、測定時に、ＬＥＤによって生成された波長のセットについての表面反射率を得ることができることである。
【００４５】
ＬＥＤのスペクトル感度曲線（図６を参照されたい）によれば、センサとして長波長のＬＥＤを、放出器として短波長のＬＥＤを使用することが好ましい。これは、本発明の方法においてセンサとして使用されるＬＥＤが、放出波長より長い波長よりも、放出波長以下の波長に感度があるからである。
【００４６】
好ましい実施の形態では、４つ以上のＬＥＤが使用される。各ＬＥＤによって放出される光は、放出波長以上の波長を有し、放出波長以下の波長を有する任意の他のＬＥＤ用のセンサの役を果たすことができる、任意のＬＥＤによって検知されることができる。結果として、２つの赤外ＬＥＤとほとんどの他の色の単一ＬＥＤを用いるなどで、非常に長い波長で光を放出する２つのＬＥＤを有することによって、所定感度について最大の波長範囲が提供される。
【００４７】
（透過光の検知）
図４Ａは、２つのＬＥＤの間の半透明、透明、または不透明な材料に適用した、本発明の実施の形態の略側面図を示す。この実施の形態では、マイクロコントローラ１３０は、ＬＥＤ４１０および４１１に接続される。本発明のこの配置では、光ビーム４２０が試験下の材料４３０を通過する。試験下の材料４３０は、固体、液体、または気体であってよい。
【００４８】
この実施の形態では、ＬＥＤ４１０が光ビーム４２０を放出する。材料４３０は、光をある程度まで透過させ、透明に、半透明に、または、不透明に働いて、光ビーム４２０を、部分的に透過させるか、または、完全に吸収する。その後、材料を通過する光の量はＬＥＤ４１１によって検知される。この実施の形態は、先に述べた差分方法を使用することもできる。
【００４９】
図４Ｂに示すように、光沢のある表面を有する材料または光沢のあるコンテナ内に収容された材料の場合、試験下の材料４３０は、光ビーム４２０に対して斜めの角度にあることができる。これは、反射光(specularity)によるスプリアスな光測定をなくす。
【００５０】
（透過および反射光の検知）
図５Ａは、反射と透過の両方を用いる実施の形態を示す。ここで、ＬＥＤ５０１〜５０３は、先に述べたように接続される。しかし、この実施の形態では、試験材料４３０は、入射光が試験材料に垂直であるように、ＬＥＤ５０１〜５０３と反射器５１０の間に設置される。ＬＥＤは、反射面５１０で反射した時の、他のＬＥＤのいずれかの鏡面反射によって照明されるように位置決めされる。こうして、光は材料を２回通過する。
【００５１】
（後方散乱の検知）
所望の測定が、試験下の材料内の濁り度、または、「後方散乱」を測定することである場合、図５Ｂに示すように、斜めの配置が好ましい。この実施の形態では、裏張り面（backing surface）５２０は、試験下の材料４３０を通過する光のほぼ全てを吸収する光吸収材料でできている。さらに、図５Ｂに示す斜め配置によって、任意の光沢のある表面または材料４３０を収容するコンテナから反射する任意の光は、ＬＥＤへ戻るように反射しないことに留意されたい。
【００５２】
図６は、本発明に従ってセンサとして用いられる時の、それぞれ、赤外、赤、黄、青、および、紫外の「色の付いた」ＬＥＤについての、典型的な感度曲線６０１〜６０５を示す。曲線は、垂直軸上に光電流を、水平軸上に、ナノメートル単位の波長を示す。９６０ナノメートル（赤外）ＬＥＤについての感度曲線６０１によってわかるように、可視領域の任意の波長についての光電流はほぼ一定である。放出波長が減少する、たとえば、５８８ナノメートル（黄）ＬＥＤになると、黄、青、および紫外の光に対する感度は一定のままであるが、赤（６６０ｎｍ）および橙（６２５ｎｍ）の光に対する感度はほぼゼロである。４７０ナノメートル（青）ＬＥＤは、青および紫外の光に対してのみ感度がある。一般的な場合、本発明に従ってセンサとして用いられるＬＥＤは、固有の短波長パスフィルタを含むと考えるべきである。
【００５３】
図７は、本発明による蛍光センサ７００を示す。マイクロコントローラ１３０およびＬＥＤ７０１〜７０２は、先に述べたように接続される。ATX corp.のタイプＢＰ−２００ＣＵＶ７５０−２５０などのＬＥＤ７０１は、３７０ナノメートル以下の紫外光７１０を放出する。ＬＥＤ７０１は、検知用ではなく、放出用のみに用いられるように、接続されることができる。同様に、好ましい実施の形態では、ＬＥＤ７０２は、検知用のみに用いられ、９５０ナノメートル（赤外）または６３９ナノメートル（赤）ＬＥＤなどの長波検知ＬＥＤである。
【００５４】
ＬＥＤ７０１は、放出されたＵＶ光７１０が蛍光材料７３０を照明するように配置される。蛍光材料は、紫外光の下で蛍光を発し、可視光７２０を放出する。可視光７２０は、ＵＶ遮断フィルタ７４０を通過し、先に述べた方法で、ＬＥＤ７０２によって検出される。不透明光シールド７５０は、放出されたＵＶ光７１０の任意の光がセンサＬＥＤ７０２によって直接に検知されることを防止する。
【００５５】
本発明は、好ましい実施の形態によって述べられたが、本発明の精神および範囲内で、種々の他の適応および変更を行ってもよいことが理解されるはずである。したがって、本発明の真の精神および範囲内に入る変形および変更をすべて包含することが、添付する特許請求の範囲の目的である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明による単一ＬＥＤを有する光センサのブロック図である。
【図２】本発明による複数のＬＥＤ光センサのブロック図である。
【図３】図２の光センサの側面図である。
【図４Ａ】光センサおよび試験材料の側面図である。
【図４Ｂ】代替の光センサおよび試験材料の側面図である。
【図５Ａ】鏡面反射を測定する光センサのブロック図である。
【図５Ｂ】拡散反射を測定する光センサのブロック図である。
【図６】入射光の波長の関数として相対光電流を示す、種々のタイプのＬＥＤの相対感度のグラフである。
【図７】ＵＶ蛍光を測定する光センサの側面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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